CN110797866B - 电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，包括建立电力‑交通网络融合的实时信息映射模型、按地域进行划分并下发该区域内的电动汽车；电动汽车针对每一个充电桩规划行驶路径；电动汽车计算各个充电桩的调频/调压增益和行驶代价并确定最终的目标充电桩及对应的最优路径。本发明方法使得电动汽车能够融合交通路网与电网信息智能决策充放电调频/调压服务节点，为电网公司提供调节不同节点电价便能改变充电负荷的工具，方案可靠性高、实用性好且科学合理。

Description

电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法
技术领域
本发明属于路径规划领域，具体涉及一种电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法。
背景技术
电动汽车同时具有电力和交通双重属性。在配电网，电动汽车作为一种时间上和空间上完全随机的大型负荷，给电网的管理、调度与控制带来了新的问题和挑战，并正在影响着未来电网的规划和发展。在交通网，电动汽车作为新型的交通工具，具有与传统汽车不同及其鲜明的数字化、智能化的特点。智能化的电动汽车具有一定的本地计算能力，可以根据自身电量状态，结合分析路网交通状态，进而规划最省电的行驶路径。
实际上，具有数据本地分析能力的电动汽车除了可以分析路网交通状态以外，一旦其融合了电网数据，由于汽车具有移动的属性，还可以根据电网线路节点的电压、频率等状态信息，选择合适的电网负荷节点接入电网进行充放电调频/调压服务。
但是，目前对于电动汽车的路径规划，一般都仅仅考虑效益问题，如能量最大化、效益最大化等。目前并无关于电动汽车接入电网进行调频/调压的路径规划问题的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高、实用性好且科学合理的电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法。
本发明提供的这种电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，包括如下步骤：
S1.建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型；
S2.将步骤S1建立的电力-交通网络融合的实时信息映射模型按地域进行划分；
S3.将步骤S2得到的各个地域的电力-交通网络融合的实时信息映射模型下发给该区域内的电动汽车；
S4.电动汽车根据接收的模型，结合自身位置，遍历范围内所有的充电桩，并针对每一个充电桩规划行驶路径；
S5.电动汽车根据步骤S4得到的每一个充电桩规划行驶路径，结合自身位置和当前状态，计算各个充电桩的调频/调压增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径。
步骤S1所述的建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型，具体包括交通层、通信层和电力层；交通层主要包含路网信息和道路实时信息；通信层包括数据传输网络和数据中心，数据中心用于耦合分析交通层和电力层的数据，建立基于地理位置的信息映射模型，并通过数据传输网络进行传输；电力层则包括电网信息和充电桩位置，电网信息包含电力网络拓扑及配电变压器、馈线地理位置信息，充电桩位置对应电网负荷节点位置，电动汽车通过充电/放电桩向电网提供调频/调压服务。
步骤S1所述的建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型，具体为采用如下步骤建立实时信息映射模型：
A.采用如下公式建立电网的状态描述：
GE＝[EM(V),EM(θ),EM(f),C(EP)]
式中GE为电网的状态描述；EM(V)为电网节点母线电压集合；EM(θ)为电网母线电压电压相角集合；EM(f)为电网的节点母线电压频率集合；C(EP)为充电桩对应电网中的位置集合；
B.采用如下公式建立交通网的状态描述：
GT＝[T(N),T(L),T(LB),C(TP)]
式中GT为交通网的状态描述；T(N)为道路交叉点集合；T(L)为道路集合，用于描述各路段的长度和道路交叉点之间的连接关系；T(LB)为道路的拥挤度集合；C(TP)为充电桩对应交通路网的地理位置集合；
C.将步骤A和步骤B建立的集合组合，从而得到电网-交通网拓扑模型。
步骤S2所述的将步骤S1建立的电力-交通网络融合的实时信息映射模型按地域进行划分，具体为根据地理半径进行划分，或者根据电力台区进行划分；同时处于两个划分区域内的电动汽车，规定该电动汽车属于电动汽车距离区域中心位置更近的区域。
步骤S4所述的电动汽车根据接收的模型，结合自身位置，遍历范围内所有的充电桩，并针对每一个充电桩规划行驶路径，具体为采用如下步骤规划行驶路径：
a.以道路交叉点为界限，将交通路网分段，并记录没两个道路交叉点之间的路段；
b.遍历范围内的所有的电动汽车充电桩，根据电动汽车当前的位置，计算前往各个充电桩的可能路径。
所述的计算前往各个充电桩的可能路径，具体为以行驶的路段数目最少为优化目标，计算前往各个充电桩的可能路径。
步骤S5所述的电动汽车根据步骤S4得到的每一个充电桩规划行驶路径，结合自身位置和当前状态，计算各个充电桩的调频/调压增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径，具体为采用如下步骤确定最终的目标充电桩及对应的最优路径：
(1)采用如下公式建立电动汽车行驶每一个路段所付出的电量代价模型：
Figure BDA0002262698290000041
式中Eb-out,k为电动汽车行驶完第k个路段所需要的电量；vk为电动汽车在第k个路段的平均行驶速度；ηt为电动汽车的传动效率；ηm为电动汽车的电机效率；M为汽车质量；g为重力加速度；fr为电动汽车的滚动摩擦系数；i为路面坡度；ρs为空气密度；CD为电动汽车的风阻系数；Af为电动汽车的行驶迎风面积；Sk为第k个路段的路程；
(2)采用如下公式计算电动汽车的行驶代价Cb-out：
Figure BDA0002262698290000042
式中τ为计及电池老化的成本系数；n为电动汽车行驶到充电桩驶过的总路段数；
(3)向下调频和向下调压时，采用如下公式计算电动汽车对应不同充电节点的最大调频/调压响应增益：
Bd＝ζ·[En-(SoC％·En-Eb-out)]
式中Bd为调频/调压响应增益；ζ为响应系数；En为电动汽车额定电池容量；SoC％为电动汽车当前剩余电量的百分比；
(4)向上调频和向上调压时，采用如下公式计算电动汽车从电网获得的最大调频/调压响应增益：
Bu＝ξ·[SoC％·En-Eb-out]
式中Bu为调频/调压响应增益；ζ为响应系数；En为电动汽车额定电池容量；SoC％为电动汽车当前剩余电量的百分比；
(5)采用如下规则建立电动汽车移动调频/调压服务策略：
R1.对于充电桩i，若(SoC％·En-Eb-out)≤0，则电动汽车不前往该充电桩i；
R2.对于充电桩i，若
Figure BDA0002262698290000051
则电动汽车不前往该充电桩；
R3.对于充电桩i，若(SoC％·En-Eb-out)＞0且
Figure BDA0002262698290000052
则将该充电桩i列为备选充电桩；
(6)对于所有备选充电桩，计算各个备选充电桩的最大调频/调压响应增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径。
步骤(6)所述的对于所有备选充电桩，计算各个备选充电桩的最大调频/调压响应增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径，具体为采用如下步骤确定最终的目标充电桩及对应的最优路径：
1)从最后一个节点开始，向前遍历所有道路交叉点；所述的最后一个节点定义为第N类节点，最后一个节点之前的所有道路交叉点均定义为第N-1类节点；
2)计算计算所有N-1类道路交叉点通往第N类节点的行驶代价和最大调频/调压响应增益；
3)选择所有N-1类道路交叉点，继续向前遍历找到第N-2类道路交叉点；
4)计算第N-2道路交叉点通往第N-1类道路交叉点的行驶代价和最大调频/调压响应增益；
5)重复上述步骤，直至第一个道路交叉点；
6)找到联通第一个道路交叉点至终点的所有路径，将该路径各分段的行驶代价和最大调频/调压响应增益求和，并用最大调频/调压响应增益的和减去行驶代价的和，得到所有路径的差值结果；将所有路径的差值结果进行排序，取最大的差值所对应的路径为最优路径，该最优路径所对应的最后一个节点为目标充电桩。
本发明提供的这种电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型，将电力-交通网络融合的实时信息映射模型按地域进行划分并通过无线通信发布给该区域的电动汽车，利用电动汽车本身的终端计算能力，由近及远遍历范围内所有电动汽车充电桩，融合交通路网与电网线路节点的电压、频率等状态信息，结合电动汽车卫星定位位置与剩余电量状态，自动规划获得最大调频/调压响应增益的充电桩节点最优路线；本发明方法使得电动汽车能够融合交通路网与电网信息智能决策充放电调频/调压服务节点，为电网公司提供调节不同节点电价便能改变充电负荷的工具，方案可靠性高、实用性好且科学合理。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，包括如下步骤：
S1.建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型；具体包括交通层、通信层和电力层；交通层主要包含路网信息和道路实时信息；通信层包括数据传输网络和数据中心，数据中心用于耦合分析交通层和电力层的数据，建立基于地理位置的信息映射模型，并通过数据传输网络进行传输；电力层则包括电网信息和充电桩位置，电网信息包含电力网络拓扑及配电变压器、馈线地理位置信息，充电桩位置对应电网负荷节点位置，电动汽车通过充电/放电桩向电网提供调频/调压服务；
在具体实施时，建议在主站建立模型，而且可以采用如下步骤建立实时信息映射模型：
A.采用如下公式建立电网的状态描述：
GE＝[EM(V),EM(θ),EM(f),C(EP)]
式中GE为电网的状态描述；EM(V)为电网节点母线电压集合；EM(θ)为电网母线电压电压相角集合；EM(f)为电网的节点母线电压频率集合；C(EP)为充电桩对应电网中的位置集合；
B.采用如下公式建立交通网的状态描述：
GT＝[T(N),T(L),T(LB),C(TP)]
式中GT为交通网的状态描述；T(N)为道路交叉点集合；T(L)为道路集合，用于描述各路段的长度和道路交叉点之间的连接关系；T(LB)为道路的拥挤度集合；C(TP)为充电桩对应交通路网的地理位置集合；
C.将步骤A和步骤B建立的集合组合，从而得到电网-交通网拓扑模型；
S2.将步骤S1建立的电力-交通网络融合的实时信息映射模型按地域进行划分；具体为根据地理半径进行划分，或者根据电力台区进行划分；同时处于两个划分区域内的电动汽车，规定该电动汽车属于电动汽车距离区域中心位置更近的区域；
在具体实施时，建议在主站进行划分；
S3.将步骤S2得到的各个地域的电力-交通网络融合的实时信息映射模型下发给该区域内的电动汽车；
S4.电动汽车根据接收的模型，结合自身位置，遍历范围内所有的充电桩，并针对每一个充电桩规划行驶路径；具体为采用如下步骤规划行驶路径：
a.以道路交叉点为界限，将交通路网分段，并记录没两个道路交叉点之间的路段；
b.遍历范围内的所有的电动汽车充电桩，根据电动汽车当前的位置，计算前往各个充电桩的可能路径；具体为以行驶的路段数目最少为优化目标，计算前往各个充电桩的可能路径；
S5.电动汽车根据步骤S4得到的每一个充电桩规划行驶路径，结合自身位置和当前状态，计算各个充电桩的调频/调压增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径；具体为采用如下步骤确定最终的目标充电桩及对应的最优路径：
(1)采用如下公式建立电动汽车行驶每一个路段所付出的电量代价模型：
Figure BDA0002262698290000081
式中Eb-out,k为电动汽车行驶完第k个路段所需要的电量；vk为电动汽车在第k个路段的平均行驶速度；ηt为电动汽车的传动效率；ηm为电动汽车的电机效率；M为汽车质量；g为重力加速度；fr为电动汽车的滚动摩擦系数；i为路面坡度；ρs为空气密度；CD为电动汽车的风阻系数；Af为电动汽车的行驶迎风面积；Sk为第k个路段的路程；
(2)采用如下公式计算电动汽车的行驶代价Cb-out：
Figure BDA0002262698290000091
式中τ为计及电池老化的成本系数；n为电动汽车行驶到充电桩驶过的总路段数；
(3)向下调频和向下调压时，采用如下公式计算电动汽车对应不同充电节点的最大调频/调压响应增益：
Bd＝ζ·[En-(SoC％·En-Eb-out)]
式中Bd为调频/调压响应增益；ζ为响应系数；En为电动汽车额定电池容量；SoC％为电动汽车当前剩余电量的百分比；
(4)向上调频和向上调压时，采用如下公式计算电动汽车从电网获得的最大调频/调压响应增益：
Bu＝ξ·[SoC％·En-Eb-out]
式中Bu为调频/调压响应增益；ζ为响应系数；En为电动汽车额定电池容量；SoC％为电动汽车当前剩余电量的百分比；
(5)采用如下规则建立电动汽车移动调频/调压服务策略：
R1.对于充电桩i，若(SoC％·En-Eb-out)≤0，则电动汽车不前往该充电桩i；
R2.对于充电桩i，若
Figure BDA0002262698290000092
则电动汽车不前往该充电桩；
R3.对于充电桩i，若(SoC％·En-Eb-out)＞0且
Figure BDA0002262698290000093
则将该充电桩i列为备选充电桩；
(6)对于所有备选充电桩，计算各个备选充电桩的最大调频/调压响应增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径；具体为采用如下步骤确定最终的目标充电桩及对应的最优路径：
1)从最后一个节点开始，向前遍历所有道路交叉点；所述的最后一个节点定义为第N类节点，最后一个节点之前的所有道路交叉点均定义为第N-1类节点；
2)计算计算所有N-1类道路交叉点通往第N类节点的行驶代价和最大调频/调压响应增益；
3)选择所有N-1类道路交叉点，继续向前遍历找到第N-2类道路交叉点；
4)计算第N-2道路交叉点通往第N-1类道路交叉点的行驶代价和最大调频/调压响应增益；
5)重复上述步骤，直至第一个道路交叉点；
6)找到联通第一个道路交叉点至终点的所有路径，将该路径各分段的行驶代价和最大调频/调压响应增益求和，并用最大调频/调压响应增益的和减去行驶代价的和，得到所有路径的差值结果；将所有路径的差值结果进行排序，取最大的差值所对应的路径为最优路径，该最优路径所对应的最后一个节点为目标充电桩。

Claims (6)

1.一种电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，包括如下步骤：
S1.建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型；
S2.将步骤S1建立的电力-交通网络融合的实时信息映射模型按地域进行划分；
S3.将步骤S2得到的各个地域的电力-交通网络融合的实时信息映射模型下发给该区域内的电动汽车；
S4.电动汽车根据接收的模型，结合自身位置，遍历范围内所有的充电桩，并针对每一个充电桩规划行驶路径；
S5.电动汽车根据步骤S4得到的每一个充电桩规划行驶路径，结合自身位置和当前状态，计算各个充电桩的调频/调压增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径；具体为采用如下步骤确定最终的目标充电桩及对应的最优路径：
(1)采用如下公式建立电动汽车行驶每一个路段所付出的电量代价模型：
Figure FDA0004190612150000011
式中Eb-out,k为电动汽车行驶完第k个路段所需要的电量；vk为电动汽车在第k个路段的平均行驶速度；ηt为电动汽车的传动效率；ηm为电动汽车的电机效率；M为汽车质量；g为重力加速度；fr为电动汽车的滚动摩擦系数；i为路面坡度；ρs为空气密度；CD为电动汽车的风阻系数；Af为电动汽车的行驶迎风面积；Sk为第k个路段的路程；
(2)采用如下公式计算电动汽车的行驶代价Cb-out：
Figure FDA0004190612150000012
式中τ为计及电池老化的成本系数；n为电动汽车行驶到充电桩驶过的总路段数；
(3)向下调频和向下调压时，采用如下公式计算电动汽车对应不同充电节点的最大调频/调压响应增益：
Bd＝ζ·[En-(SoC％·En-Eb-out)]
式中Bd为调频/调压响应增益；ζ为响应系数；En为电动汽车额定电池容量；SoC％为电动汽车当前剩余电量的百分比；
(4)向上调频和向上调压时，采用如下公式计算电动汽车从电网获得的最大调频/调压响应增益：
Bu＝ξ·[SoC％·En-Eb-out]
式中Bu为调频/调压响应增益；ζ为响应系数；En为电动汽车额定电池容量；SoC％为电动汽车当前剩余电量的百分比；
(5)采用如下规则建立电动汽车移动调频/调压服务策略：
R1.对于充电桩i，若(SoC％·En-Eb-out)≤0，则电动汽车不前往该充电桩i；
R2.对于充电桩i，若
Figure FDA0004190612150000021
则电动汽车不前往该充电桩；
R3.对于充电桩i，若(SoC％·En-Eb-out)＞0且
Figure FDA0004190612150000022
则将该充电桩i列为备选充电桩；
(6)对于所有备选充电桩，计算各个备选充电桩的最大调频/调压响应增益和行驶代价，从而确定最终的目标充电桩及对应的最优路径；具体为采用如下步骤确定最终的目标充电桩及对应的最优路径：
1)从最后一个节点开始，向前遍历所有道路交叉点；所述的最后一个节点定义为第N类节点，最后一个节点之前的所有道路交叉点均定义为第N-1类节点；
2)计算计算所有N-1类道路交叉点通往第N类节点的行驶代价和最大调频/调压响应增益；
3)选择所有N-1类道路交叉点，继续向前遍历找到第N-2类道路交叉点；
4)计算第N-2道路交叉点通往第N-1类道路交叉点的行驶代价和最大调频/调压响应增益；
5)重复上述步骤，直至第一个道路交叉点；
6)找到联通第一个道路交叉点至终点的所有路径，将该路径各分段的行驶代价和最大调频/调压响应增益求和，并用最大调频/调压响应增益的和减去行驶代价的和，得到所有路径的差值结果；将所有路径的差值结果进行排序，取最大的差值所对应的路径为最优路径，该最优路径所对应的最后一个节点为目标充电桩。
2.根据权利要求1所述的电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，其特征在于步骤S1所述的建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型，具体包括交通层、通信层和电力层；交通层主要包含路网信息和道路实时信息；通信层包括数据传输网络和数据中心，数据中心用于耦合分析交通层和电力层的数据，建立基于地理位置的信息映射模型，并通过数据传输网络进行传输；电力层则包括电网信息和充电桩位置，电网信息包含电力网络拓扑及配电变压器、馈线地理位置信息，充电桩位置对应电网负荷节点位置，电动汽车通过充电/放电桩向电网提供调频/调压服务。
3.根据权利要求2所述的电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，其特征在于步骤S1所述的建立电力-交通网络融合的实时信息映射模型，具体为采用如下步骤建立实时信息映射模型：
A.采用如下公式建立电网的状态描述：
GE＝[EM(V),EM(θ),EM(f),C(EP)]
式中GE为电网的状态描述；EM(V)为电网节点母线电压集合；EM(θ)为电网母线电压电压相角集合；EM(f)为电网的节点母线电压频率集合；C(EP)为充电桩对应电网中的位置集合；
B.采用如下公式建立交通网的状态描述：
GT＝[T(N),T(L),T(LB),C(TP)]
式中GT为交通网的状态描述；T(N)为道路交叉点集合；T(L)为道路集合，用于描述各路段的长度和道路交叉点之间的连接关系；T(LB)为道路的拥挤度集合；C(TP)为充电桩对应交通路网的地理位置集合；
C.将步骤A和步骤B建立的集合组合，从而得到电网-交通网拓扑模型。
4.根据权利要求3所述的电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，其特征在于步骤S2所述的将步骤S1建立的电力-交通网络融合的实时信息映射模型按地域进行划分，具体为根据地理半径进行划分，或者根据电力台区进行划分；同时处于两个划分区域内的电动汽车，规定该电动汽车属于电动汽车距离区域中心位置更近的区域。
5.根据权利要求4所述的电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，其特征在于步骤S4所述的电动汽车根据接收的模型，结合自身位置，遍历范围内所有的充电桩，并针对每一个充电桩规划行驶路径，具体为采用如下步骤规划行驶路径：
a.以道路交叉点为界限，将交通路网分段，并记录没两个道路交叉点之间的路段；
b.遍历范围内的所有的电动汽车充电桩，根据电动汽车当前的位置，计算前往各个充电桩的可能路径。
6.根据权利要求5所述的电动汽车参与电网调频/调压的动态路径规划方法，其特征在于所述的计算前往各个充电桩的可能路径，具体为以行驶的路段数目最少为优化目标，计算前往各个充电桩的可能路径。
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